CC BY
52
ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ j
УДК (534.23:541.124)+535.378
КЛАТРАТЫ ИОДА - ПРОТОТИПЫ АНТИДОТОВ ПРОТИВ АКУСТИЧЕСКОГО НЕЛЕТАЛЬНОГО ОРУЖИЯ
Г.Н. Фадеев1, В.С Болдырев1, В.Н. Тверитинов1, Л.И. Пашкова2
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва e-mail: gerfad@mail.ru;
2Московский институт открытого образования
Исследования воздействия низкочастотных акустических колебаний на кла-тратные комплексы, образованные иодом с компонентами крахмала и поливиниловым спиртом, показали, что эти соединения способны поглощать заметную долю поступающей извне акустической энергии. Полученные результаты дают основания рассматривать эти соединения как антидоты против низкочастотных колебаний, генерируемых при применении акустического нелетального оружия.
Keywords: акустические колебания, резонансная частота, модели биохимических систем, клатратные комплексы, амилоиодин, амилопектоиодин, иодинол, кинетика дестабилизации клатратов.
IODIN-CLATHRATES - ANTIDOTES AGAINST THE ACOUSTIC NON-LETHAL WEAPONS
G.N. Fadeev1, V.S. Boldyrev1, V.N. Tveritinov1, L.I. Paschkova2
1Bauman Moscow State Technical University, Moscow e-mail: gerfad@mail.ru;
2 Moscow Institute of Open Education, Moscow
The research, devoted to the kinetics of destruction of iodin-clathrate complexes — amiloiodin, amilopektoiodin and iodinol under the low-frequency acoustic waves has shown that these compounds can absorb an appreciable portion of external acousticy energy. The obtained results suggest that these compounds can be regarded as antidotes against the low-frequency vibration generated when the acoustic non-lethal weapons are applied.
Keywords: acoustic oscillations, resonant frequency, models of biochemical systems, clathrate complexes, amiloiodin, amilopektoiodin, iodinol, the kinetics of the clathrate destabilization.
В работах [1-3] установлены существенные особенности механизма переноса акустической энергии низких частот и специфика их воздействия на состояние биологически активных структур в поле низкочастотных акустических колебаний и сопровождающих их факторов. Изменения обусловлены взаимодействием резонансных частот химических превращений с внешним акустическим воздействием: для каждой химической системы имеется собственная резонансная частота акустических низкочастотных колебаний, при которой эффект
Таблица 1
Резонансные частоты биологически активных систем
Тип системы Состав Резонансная частота, Гц
Низкомолекулярные биологически активные вещества Продукты гидролитического контрдиспропорционирования иода 25-30
Высокомолекулярная органическая система Полисахарид крахмал 140
Иодсодержащие клатраты крахмала Амилоиодин Амилопектоиодин 10-15 20-25
Клатрат — иодинол Поливиниловый спирт-иод 10-15
воздействия максимален [4]. Это проверено и экспериментально подтверждено (табл. 1) на системах, являющихся ступенями к сложным биохимическим структурам. В работе [3] обнаружены важные особенности поведения клатратов — амилоиодина и амилопектоиодина: с внешним акустическим воздействием резонируют низкомолекулярные составляющие изученных соединений.
Одинаковые по составу, но различающиеся по строению молекулы амилозы и амилопектина, адсорбировавшие иод, резонируют с внешним воздействием в разных участках акустического спектра. Амило-иодин — в инфразвуковом, а амилопектоиодин — в звуковом диапазоне частот. Резонансное взаимодействие внешних колебаний и клатратов происходит в соответствии с энергетическим состоянием молекул иода, возникшим в результате адсорбции иода.
Амилопектин в крахмале охватывает своей трехмерной структурой двойные спирали амилозы. Величина адсорбции иода на амилопекти-не (АП) почти в полтора раза меньше, чем на амилозе (АЛ):
ЕактАП = 29 ± 2 кДж/моль; ЕактАЛ = 44 ± 2 кДж/моль.
Логично было рассчитывать, что амилопектоиодин будет и дестабилизироваться легче, чем амилоиодин. Однако амилопектоиодин оказался устойчивым к частотам инфразвукового диапазона и резонирует с более энергичными частотами начала звукового диапазона. При частотах 25-40 Гц константы скорости дестабилизации амилопектоиодина становятся больше, чем у амилоиодина [3, с. 57). Имеет место инверсия значений энергий активации процесса дестабилизации Едест клатратов:
Едест.АП = 38-41 кДж/моль; ЕдестАЛ = 29-31 кДж/моль.
Состояние иода в результате адсорбции на амилозе иное [5], поэтому он и ведет себя иначе. Молекулы иода находятся внутри двойной
спирали амилозы и испытывают сильное влияние полярных групп -ОН, а также межмолекулярных сил. В результате межатомная связь в молекуле иода с первоначальной длины 0,267 нм увеличивается до 0,306 нм и становится единой для всех атомов иода. Атомизирован-ный и заключенный в двойную спираль иод амилоиодина резонирует с частотами 5-15 Гц инфразвукового диапазона, имеющими энергию, меньшую, чем частоты 25-40 Гц. Константы скорости дестабилизации амилоиодина при действии инфразвуковых частот больше, чем у амилопектоиодина.
Из полученных данных можно заключить, что при восприятии ами-лоиодином и амилопектоиодином энергии акустического воздействия главную роль играют не структура соединения и не прочность адсорбции иода, а энергетическое состояние активной части клатрата, способной вступать в резонанс с определенными частотами акустического воздействия. Для проверки определяющей роли энергетического состояния в резонансном взаимодействии с внешними акустическими колебаниями исследовано поведение соединения, сходного по строению с амилоиодином.
В качестве аналога взят клатратный комплекс иодинол — соединение иода с поливиниловым спиртом (ПВС). Вторичная структура полимера ПВС имеет строение [6] спирали, как и амилоза. Однако, в отличие от амилозы, спираль полимера не двойная, а одинарная. Сам иод расположен, согласно данным [7], в приповерхностном слое ПВС и соединен серединой своей молекулярной связи с кислородом группы -ОН поливинилового спирта. Молекулярная масса полимера, по данным [5], колеблется от 14 000 до 60 000 а.е.м. Энергия активации адсорбции иода на ПВС (42,64 кДж/моль) близка к ЕактАЛ (44 кДж/моль) и заметно превышает ЕактАП (29 кДж/моль).
Прочность адсорбции иода на ПВС не отражается на резонансной частоте иодинола, находящейся, как и у амилоиодина, в инфразвуковой области (табл. 2), но влияет на восприятие иодинолом мощности подаваемого воздействия. Наблюдается нулевой кинетический порядок процесса дестабилизации клатратов при частотах как инфразвукового, так и звукового диапазонов в случае крахмала при общем подаваемом напряжении 3 В, а в случае иодинола даже при 5 В (рис. 1). Из-за более прочной адсорбции иода дестабилизация иодинола заметно наблюдается только при 7 В, тогда как у крахмала влияние мощности заметно уже при 5 В. С увеличением подаваемой извне мощности кинетический порядок дестабилизации иодинола меняется (рис. 2) и становится первым, так же как и у амилоиодина и амилопектоиодина (см. табл. 2).
Полученные данные подтверждают, что более свободному положению иода соответствует и большая активность иодинола в звуко-химическом превращении. Константы скорости его дестабилизации
ДС • 10 6, моль/л
0 10 20 т, мин
Рис. 1. Нулевой порядок процесса дестабилизации иодинола при общем подаваемом напряжении 5В и частотах 10Гц (♦), 20Гц (■), 25Гц (А)
1п(С ■ Ю-6)
2,5 -
0 -I-1-
10 20 Т, МИН
Рис. 2. Первый порядок процесса дестабилизации иодинола при общем подаваемом напряжении 7В и частотах 10Гц (♦), 20Гц (■), 25Гц (А)
выше (см. табл. 2), а энергия активации процесса дестабилизации иодинола 16±2кДж/моль значительно ниже, чем в случае амилоиодина (29-31 кДж/моль). Экспериментальные результаты подтверждают, что при поглощении фононов основное значение имеет не структура, а энергетическое состояние активной части биохимических систем, резонансно откликающейся на внешнее акустическое воздействие.
Это открывает путь к созданию антидотов, принцип действия которых состоит в их резонансном взаимодействии с частотой внешнего акустического воздействия [8] и уменьшении или полном поглощении энергии акустического оружия. Прототипами таких структур являются
Таблица 2
Константы скорости к • 104,с-1, дестабилизации иодсодержащих клатратов при разной мощности воздействия
Напряжение, В Частота, Гц Иодинол Иод + крахмал Амилопектоидин I2 + (C6HioÜ5)B Амилоидин I2 + (СбНю05)и
10 - 0,66 0,44 1,8
3 20 - 0,14 0,15 0,36
25 - 0,77 0,29 0,26
10 5,66 2,93 1,75 3,7
5 20 4,28 2,87 1,71 0,9
25 2,01 2,37 1,18 0,13
10 7,95 6,01 1,61 4,83
7 20 9,33 2,78 0,52 1,13
25 4,01 2,16 0,75 0,34
клатраты, изученные в настоящей работе. Создание средств противодействия и изучение механизмов действия акустического нелетального оружия [9, 10] должны основываться на обобщенном подходе. Простой технический подход здесь невозможен, так как эффективность и моральный фактор применения нелетального оружия зависят от множества условий. Это предопределяет необходимость интеграции знаний и совместной работы исследователей из различных областей, таких как медицина, физиология, биохимия и т.п.
Результаты проведенного исследования можно рассматривать как шаг к пониманию механизма воздействия акустического нелетального оружия и созданию антидотов против него. При этом следует учитывать превалирующее значение энергетического состояния той части, которая наиболее активно откликается на действие налагаемых извне колебаний определенной частоты. При изменении воздействующих частот такой активной частью может стать другая, ранее не проявлявшаяся активность. Природа высокополимерной части структуры способна играть заметную роль, влияя на состояние активной части системы, подвергающейся низкочастотному акустическому воздействию.
Выводы. 1. Полученные экспериментальные данные показывают особенности поведения клатратных комплексов — амилоиодина, ами-лопектоиодина и иодинола — в поле действия низких акустических частот. Эти клатраты способны поглощать поступающую извне энергию излучения.
2. Проведенные исследования — шаг к пониманию механизма воздействия акустического нелетального оружия на системы организма
человека. C поступающими извне колебаниями резонирует активная низкомолекулярная часть биохимической системы.
3. Чувствительность изученных комплексов к частотам диапазона применения акустического нелетального оружия свидетельствует о возможности использования комплексов, восприимчивых к звуко-химическим воздействиям, в качестве антидотов против этого вида оружия.
4. Различия в поведении комплексов амилоиодина и амилопекто-иодина в поле низкочастотных акустических воздействий можно использовать для создания антидотов против акустического нелетального оружия, различающихся по воспринимаемой акустической частоте.
5. Результаты проведенного исследования доказывают, что биологические последствия применения акустического нелетального оружия можно изучать на примере действия акустических колебаний на комплексы, имеющие признаки биологически активных систем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фадеев Г. Н., Болдырев В. С., Ермолаева В. И. Биологически активные клатраты амилоиодин и амилопектоиодин в поле действия низкочастотных акустических колебаний // Доклады РАН. - 2012. - T. 446. - № 4. -С. 638-642.
2. Ф а д е е в Г. Н., Болдырев В. С., Т в е р и т и н о в В. Н. Молекулярные аспекты действия акустического нелетального оружия // Вестник МГТУ. Сер. Естественные науки. - 2012. - № 4. - С. 52-62.
3. Ф а д е е в Г. Н., Б о л д ы р е в В. С., Е р м о л а е в а В. И., Е л и с е е -в а Н. М. Клатратные комплексы иод-крахмал в поле низкочастотных акустических воздействий // Ж. физ. химии. - 2013. - Т. 87. - № 1. - С. 40-46.
4. Fadeev G. N., Kuznetsov N. N., Beloborodova E. F., Matakova S. A. The influence of acoustic resonance frequency on chemical reaction in solution // Russian Journal of Phys. Chemistry A. 2010. Vol. 84, no. 13. -P. 40-46.
5. http://www.sev-chem.narod.ru/spravochnik/krahmal.htm
6. Пашкова Л. И. Полимерные гидрогели на основе сшитого поливинилового спирта. Дисс... . канд. хим. наук. - Москва, 2012. Российский химико-технологич. ун-т им. Д.И. Менделеева.
7. Г р и б о в Л. А., Мерзляк Т. Т., З у б к о в а О. Б., Райхштат М. Н., Попов А. А. Взаимодействие молекулярного иода с поливиниловым спиртом // Ж. физ. химии. - 1984. - T. 58. - № 10. - С. 2529-2531.
8. Фадеев Г. Н., Ермолаева В. И., Фролова О. К., Елисеева Н. М. // Труды Второй Всерос. конф. "Необратимые процессы в природе и технике". М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - С. 163-175.
9. Fadeev G., Ermolaeva V. Modelling the effert of non-lethal weapons // Proc. of 2nd European Symposium on Non-Lethal Weapons. Ettlingen (Germany), May 13-14, 2003.
10. Ф а д е е в Г. Н., Е р м о л а е в а В. И. Моделирование действия нелетального оружия // Вопр. оборон. техн. - 2004. - Сер. 16, № 1-2. - С. 28.
Статья поступила в редакцию 3.12.2012
Герман Николаевич Фадеев — д-р педагог. наук, канд. хим. наук, профессор кафедры "Химия" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 150 научных работ в области кинетики химических процессов в поле акустических воздействий.
G.N. Fadeev — D. Sc. (Pedagogy), Ph. D. (Chemistry), professor of "Chemistry" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than 150 publications in the field of kinetics of chemical processes under exposure to acoustic fields.
Вениамин Станиславович Болдырев — аспирант кафедры "Химия" МГТУ им. Н.Э. Баумана, автор девяти научных работ в области воздействия низкочастотных акустических колебаний на биологические системы.
V.S. Boldyrev— post-graduate of "Chemistry" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of nine publications in the field of study of low-frequency acoustic vibration influence on biological systems.
Валерий Николаевич Тверитинов — канд. биол. наук, доцент кафедры "Химия" МГТУ им. Н.Э. Баумана. Автор более 50 научных работ в области кинетики химических и биохимических процессов.
V.N. Tveritinov — Ph. D. (Biology), assoc. professor of "Chemistry" department of the Bauman Moscow State Technical University. Author of more than 50 publications in the field of kinetics of chemical and biochemical processes.
Людмила Ивановна Пашкова — канд. хим. наук, доцент кафедры обучения химии Московского института открытого образования. Автор 57 научных работ в области химии высокомолекулярных соединений.
L.I. Pashkova — Ph. D. (Chemistry), assoc. professor of department for teaching chemistry of the Moscow Institute of Open Education. Author of 57 publications in the field of chemistry of high-molecular compounds.
